遗传（ heredity ） 子代与亲代的生物学性状基本相同，且代代相传，遗传使性状保持相对稳定。 变异（ variation）

• 遗传（ heredity ） 子代与亲代的生物学性状基本相同，且代

代相传，遗传使性状保持相对稳定。

• 变异（ variation ） 在一定条件下，子代和亲代之间以及子代

和子代之间的生物学性状出现差异。

遗传与变异

变 异

• 遗传性变异（基因型变异） 遗传物质的结构发生了改变，如基因突

变或重组，不可逆，可遗传给后代。

• 非遗传性变异（表型变异） 环境改变导致，基因结构未发生变异，

可逆，不可遗传。

遗传的物质基础

• 基因：合成一种有功能的多肽链或 RNA

分子所必需的一段完整的 DNA 序列。

蛋白质基因 /RNA 基因

结构基因 / 调控基因

• 基因组：存在于生物体的遗传物质中的全部基因的总称。

核酸是生物遗传的物质基础

病毒的遗传物质核酸类型多样

复制方式多样

决定病毒的感染特征、病毒蛋白质的特性

真核细胞型微生物的遗传物质

• 线状双链 DNA 分子和蛋白质（组蛋白）

• 结构单位：核小体

核小体—螺线管—超螺线管—染色单体

• 基因组 DNA 序列包括编码序列和非编码序列

原核细胞型微生物的遗传物质

染色体质粒 DNA

转座因子整合子噬菌体基因组

细菌染色体• 细菌属于原核细胞型微生物 , 细菌染色体是环

状双螺旋 DNA ，不含组蛋白 , 无核膜包围。

• 细菌染色体 DNA 的复制：大肠埃希菌已证明是双向复制

• 2002 年已有 68 种细菌完成了测序

• 致病岛：致病菌染色体上编码与毒力相关基因的外源 DNA 片段是分子量较大的基因群

细菌染色体的特征

• 相对较小，只有一个复制起始位点• 具操纵子结构，可由调节子调控• 基因连续，结构基因无内含子• 大部分 DNA用于编码蛋白质，仅一小部分是不翻译的

• 仅少数基因存在基因重叠现象• 结构基因单拷贝， rDNA 多拷贝• 具各种功能的识别区域并具有特殊顺序

• 质粒是细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA ，存在于细胞质中，具有自主复制的能力。

质粒（ plasmid ）

质粒的主要特征1. 大多数 CCC 双链 DNA 分子2. 自我复制能力，为复制子，单拷贝或多拷贝

严紧型质粒和松弛型质粒3. 编码产物赋予细菌某些性状特征4. 可自行丢失与消除5. 有转移性6. 可分为相容性和不相容性

• 几种重要的质粒– 致育质粒（ F 质粒）– 耐药质粒（ R 质粒和非结合性质粒）– 毒力质粒（ Vi 质粒）– 细菌素质粒（ Col 质粒）– 代谢质粒

致育质粒（ F 质粒）• 与有性生殖有关• 带有 F 质粒的为雄性菌，能长出性菌毛

；• 无 F 质粒的为雌性菌，无性菌毛

耐药性质粒• 编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐

药性。– 可通过细菌间接合进行传递的称接合性耐药

质粒，又称 R 质粒– 不能通过接合传递的非接合性耐药质粒，但

可通过噬菌体传递。

毒力质粒（ Vi 质粒）• 编码与该菌致病性有关的毒力因子。

– 如致病性的大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是由 ST 质粒编码的。

– 细菌粘附定植在肠粘膜表面是由 K 质粒决定的。

细菌素质粒• 编码各种细菌产生的细菌素。

– Col 质粒编码大肠埃希菌产生大肠菌素

代谢质粒• 编码产生相关的代谢酶。

– 降解某些基质的酶的基因，如环保方面应用降解有毒化合物。

转座因子概念：是细菌基因组中能改变自身位置的一段

DNA 序列，可在同一染色体、染色体之间、质粒之间或染色体和质粒之间发生转座作用。

插入突变 出现新基因 染色体畸变 基因的移动与重排 回复突变

Barbara McClintock 为右边第一位

前排玩狗的就是提出一基因一酶的 George

Beadle

摄于 1926年康乃尔大学

转座因子插入序列（ insertion sequence,IS ）

是最简单的或序列较短的转座子，长度一般 0.7-1.5Kb ，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域，与插入点附近的序列共同起作用，可能是原细胞正常代谢的调节开关之一，也可能介导 Hfr 的形成。

TransposaseABCDEFG GFEDCBA

转座子转座子（ transposon,Tn ）或复合转座子

长度一般超过 2kb ，除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、抗金属基因、毒素基因及其他结构基因等。因此当 Tn 插入某一基因时，一方面可引起插入基因失活产生基因突变，另一方面可因带入耐药性基因而使细菌获得耐药性。转座子可能与细菌的多重耐药性有关。

IS ISResistance Gene(s)

IS ISResistance Gene(s)

整合子• 概念：一种运动性的 DNA 分子，具有独特结构

可捕获和整合外源性基因，使之转变成为功能性基因的表达单位。

• 特征： 定位与染色体、质粒、转座子 基本结构：两端保守末端 + 中间可变区构成 3个功能元件：整合酶基因、重组位点、启动

子

基因突变• 突变（ mutation ） 野生型 突变型 生物体遗传物质的核苷酸发生了稳定而

可遗传的变化。 分为基因突变和染色体畸变

基因突变：一个基因内由于一对或少数几对碱基的置换、缺失或插入所引起的突变，涉及变化范围很小，也叫点突变（ point mutation ）

基因突变规律• 突变率

自然突变率 诱导突变率

• 突变与选择影印培养试验

• 不对应性• 独立性• 可遗传性• 回复突变

基因突变分子机制• 自发突变：

低剂量诱变因素长期效应

DNA 碱基结构变化

环出效应• 诱变

碱基对置换

移码突变（ transhift mutation ）

开放读码框架（ ORF ）

缺失插入突变

紫外线诱变• RNA 基因组突变

突变株类型及实际应用

• 高产—生产需要

• 抗性—抗噬菌体突变株、抗药突变株

• 条件致死突变株—遗传学研究

• 营养缺陷性突变株—测定致癌物质

• 毒力变异株—疫苗

在测定致癌物质中的应用• 凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能

是致癌物质。 • Ames实验

– 伤寒沙门菌（ his- ）——（ his+ ）

• 减毒菌株和无毒株可制备成疫苗

毒力减弱：有毒菌株长期在人工培养基上传代培养，可是细菌的毒力减弱或消失。

卡介苗 (BCG) 是有毒的牛分枝杆菌在含有胆汁的甘油、马铃薯培养基上，经过 13 年，连续穿 230 代，获得的一株毒力减弱但仍保持免疫原性的变异株。

在疾病的诊断、治疗与预防中的应用

• 形态、结构、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面的变异，使得诊断复杂化– 如金黄色葡萄球菌的耐药性菌株增加，绝大由金黄色变成灰白色，血浆凝固酶阴性的葡萄球菌也成为致病菌，给诊断带来困难；伤寒沙门菌有 10% 不产生鞭毛，检查无动力，无 H 抗体，影响正确判断。

• 耐药菌株日益增多，因此以药敏实验为指导

在流行病学中的应用• 分子生物学分析方法已被用于流行病学

调查– 质粒指纹图（ PFP ）– 对噬菌体的敏感性，对细菌素的敏感性

在基因工程中的应用• 基因工程是根据遗传变异中细菌可因基

因转移和重组而获得新性状的原理设计的 – 切取目的基因——连接到载体上——转移到工程菌内，大量表达目的基因产物

– 目前已大量生产胰岛素、干扰素、多种生长激素、 rIL-2等细胞因子和乙肝疫苗等生物制品

基因的转移和重组• 基因转移

外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的过程称为基因转移（ gene transfer ） 。

• 重组 转移的基因与受体菌 DNA 整合在一起称为重组

（ recombination ），使受体菌获得供体菌的某些性状。

• 细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转导、溶原性转换和原生质体融合等方式进行。

转化（ transformation ）• 转化是供体菌裂解游离的 DNA 片段被受

体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。

• 转化现象在肺炎链球菌、流感嗜血杆菌等中被证实。

转化试验

转化• 转化因子吸附在受体菌表面受体上，然后再被

摄入 。• 感受态（ competence ）

受体菌只有处于感受态时，才能摄取转化因子。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸附 DNA 的受体 .

• 重组。• DNA 复制重组菌繁殖后，获得新的性状的细菌

称为转化型细菌。

转化

接合（ conjugation ）接合 是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒 DNA ）从供体菌转移给受体菌。 接合性质粒： 能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒， F 质粒、 R 质粒等。

接合• F 质粒的接合

– F+×F －

– 高频重组菌（ high frequency recombination,Hfr ）

– F′ – F+ 、 Hfr 、 F′都为雄菌

接合

F+ F- F+ F-

F+ F+F+ F+

Donor

Recipient

接合

F+ F+ Hfr

接合

Hfr F- Hfr F-

Hfr F-Hfr F-

接合

F ′ F ′F ′ F ′

F′ F-F ′ F-

接合• R 质粒的接合

– 日本首先分离到抗多种药物的宋内志贺菌多重耐药株，多重耐药性很难用基因突变解释。

– 健康人中大肠埃希菌 30%~50% 有 R 质粒，而致病性大肠埃希菌 90% 有 R 质粒。

– R 质粒与耐药性有关，尤其与多重耐药性有关。耐药质粒从一个细菌转移到另一个细菌中。

接合

Tn 9

Tn

21

Tn 10

Tn 8RTF

R determinant

• R 质粒– 耐药传递因子（ resistance

transfer factor,RTF ）• 与 F 质粒相似，编码性菌毛

的产生和通过接合转移– 耐药（ r ）决定子

• r-dir 能编码对抗菌药物的耐药性，可由几个转座子连接相邻排列，如 Tn9 带有氯霉素耐药基因， Tn4 带有氨苄青霉素、磺胺、链霉素的耐药基因， Tn5 带有卡那霉素的耐药基因。

转导（ transduction ）• 转导是以噬菌体为载体，将供体菌的一

段 DNA 转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。

普遍性转导（ generalized transduction ）局限性转导（ restricted transduction ）

普遍性转导

• 前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进行增殖，将细菌的 DNA 片段装入噬菌体的头部，成为一个转导噬菌体。转导噬菌体能以正常方式感染另一宿主菌，并将其头部的染色体注入受体菌内。因被包装的 DNA 可以是供体菌染色体上的任何部分，故称为普遍性转导。

普遍性转导

普遍性转导• 完全转导

外源性 DNA 片段与受体菌的染色体整合，并随染色体而传代，称完全转导

• 流产转导 外源性 DNA 片段游离在胞质中 ,既不能与受体菌染色体整合，也不迅速消失，仅能表达遗传不稳定，最终渐趋消失，称为流产转导

局限性转导• 局限性转导或特异性转导， 所转导的只限于前噬菌体两侧的宿主染色体 DNA 上个别的特定基因。

局限性转导

gal

bio

gal bio

gal bio

gal

bio

bio

gal

普遍性转导与局限性转导的区别区别要点 普遍性转导 局限性转导

基因转导发生的时期 裂解期 溶原期转导的遗传物质 供体菌染色体 DNA

任何部位或质粒噬菌体 DNA 及供体菌 DNA 的特定

部位转导的后果 完全转导或流产转导 受体菌获得供体菌

DNA 特定部位的遗传特性

转导频率 较低 较普遍转导高

溶原性转换 (lysogenic conversion)

当噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中获得了噬菌体的DNA 片段，使其成为溶原状态时，而使细菌获得新的性状。

原生质体融合（ protopast fusion)

• 原生质体融合是将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体后进行彼此融合的过程。

• 聚乙二醇可促使二种原生质体的融合。

复习题

1. 概念：质粒 转化 转导 接合 基因突变 溶原性转换 转座因子 卡介苗

2. 简述 F+ 菌、 F- 菌、 Hfr 菌和 F′ 菌的区别3. 质粒的主要特征4. 细菌基因转移和重组的方式5.普遍性转导与局限性转导的区别